西门子整流单元在开卷线上的应用

文/徐宁，李超，毛玉俊·江苏亚威机床股份有限公司

开卷线用于将不同规格的卷材经开卷、整平、定尺，加工成不同规格板材，分类堆放整齐。对于大量使用不同规格板材的企业，能够显著地增加产量，降低成本，保证质量，提高生产效率，是现代企业必不可少的高效加工机械。

西门子SINAMICS S120是目前市场占有率比较高的变频器产品，这款产品基于公共直流母线系统的多机传动，其独特的结构和优异的性能专为完成最复杂的传动任务而设计。本文介绍了SINAMICS S120系列变频器的不同整流单元，研究不同整流单元的运行特性，对正确选型具有参考意义。

开卷线工艺流程

卷料由上料小车托起，自动以卷径对中方式插入开卷机卷筒，开卷机以卷宽方式自动对中，然后卷筒胀开使料卷固定在开卷机卷筒上。借助引料装置，将钢带引入夹送装置中，通过切头剪去不良板头，再引入矫直机中。钢带从矫直机出来之后，经过活套，由定尺装置定长，并通过剪板机完成剪切。剪切完成后，通过输送皮带、排料架进行堆垛，然后打包、贴标签、入库。图1为开卷线工艺流程示意图。

图1 开卷线工艺流程示意图

开卷线常用整流单元

基本整流单元

基本整流单元是一种不可调节的、两象限运行的电源模块（能量方向总是从电网输送到直流母线），这种整流模块不能将能量从直流母线回馈到电网。驱动系统的再生能量必须通过连接在直流母线上的制动模块（制动单元、制动电阻）转换成热能消耗掉。基本整流单元是由晶闸管或二极管组成的电源换相的6-脉动三相整流器。在进线侧，一般连接一个相对短路压降Uk=2%的输入电抗器。

基本整流单元（图2）是SINAMICS G130装机装柜型和G150柜机的一个整体组件（均为晶闸管），也是模块化系统SIANMICS S120装机装柜型和柜机的一种整流模块（小功率范围为晶闸管、900kW/400V和1500kW/（500～690V）的大功率单元为二极管）。

图2 带有Uk=2%的输入电抗器的SINAMICS S120基本整流单元

基本整流单元是一种电源换向整流器，输入三相电源电压VLine，其输出为不可控的，依赖于负载的直流母线电压VDCLine。空载时，直流电压充至电源电压峰值，即：VDCLine=1.41VLine。加载后，直流母线电压降低，部分加载时，直流母线电压VDCLine=1.32VLine，满载时，VDCLine=1.35VLine。由于直流电压不可控，电源电压波动会导致直流母线电压的波动。

整流回馈单元

Smart Infeed是一种可四象限运行的、简单的整流回馈单元（图3），它允许能量从电源流至直流母线，也允许从直流母线流回电源。

图3 整流回馈单元由SLM和Uk=4%的输入电抗器组成

整流回馈单元由IGBT逆变器组成，该逆变器工作于电源侧，为电源换向的6-脉动桥式整流回馈单元。与有源整流单元不同，其IGBT不按照脉宽调制方式触发。在整流方式（电动模式）运行时，电流通过集成在IGBT模块中的二极管从电源流至直流母线，从而在电动模式下表现为电源换向的6-脉动二极管桥式整流电路。回馈方式运行时，电流流过电源频率同步触发的IGBT，这样，在回馈运行时表现为电源换向的6-脉动IGBT桥式电路。

IGBT与晶闸管不同，它可在任意时间关断，在回馈方式运行时不会由于电源故障而发生换向短路，整流回馈单元需在电源侧安装一个相对短路压降为4%的进线电抗器，在SINAMICS S120模块化系统中，整流回馈单元有装机装柜型和柜机型。

整流回馈单元的IGBT总是在自然换向点触发开通，120°（电角度）后关闭，与能量流动方向无关。因此，电流也就是能量可以随时从电源流至直流母线，反之亦然。实际电流/能量流动的方向只取决于电源电压和直流母线电压。在稳定的电动状态下运行时，有电流流动期间，直流母线电压总是低于电源电压，电流通过二极管从电源流向直流母线；在稳定的回馈状态下运行时，有电流流动期间，直流母线电压总是高于电源电压，电流通过IGBT从直流母线流向电网。这种控制原理的优势在于，对负载的变化，整流回馈单元可以相对快速地做出反应，还可随时改变电流流动的方向。

整流回馈单元是电源换向的整流/回馈设备，将三相电源电压VLine整流为不可控的、基于负载的直流母线电压VDCLine。在空载情况下，直流回路充电至电源电压峰值，即VDCLine=1.41VLine。直流回路带载时，直流母线的电压跌落大于基本整流单元，这是由于整流回馈单元的电抗器相对短路压降为4%，其压降大于基本整流单元的2%电抗器的压降。部分负载时，直流母线电压VDCLine=1.32VLine，满载时，VDCLine=1.35VLine。由于直流电压不可控，电源电压波动会导致直流母线电压的波动。

有源整流单元

有源整流单元是用于四象限运行的脉冲调制的整流/回馈单元，它既允许能量从电源流到直流回路，也允许能量反流。有源整流单元由自换向的IGBT逆变器构成，该逆变器工作于电源侧，把电源电压整流为恒定可控的直流电压。由于在有源整流单元和电源之间安装了洁净电源滤波器，使电网的波形接近于正波，因而谐波最小。

不同整流单元的特性比较

表1为不同类型的整流单元所有关键特性的简单综合比较。

表1 不同SINAMICS整流单元的特性比较

结束语

本文以西门子SINAMICS S120为例，介绍了几种不同整流单元：基本整流单元、整流回馈单元和有源整流单元，研究不同整流单元的特性，对于根据开卷线实际需求正确选用变频器具有参考意义。